در این بخش نمونه سوال امتحانی طراحی اجزاء 1 مهندسی مکانیک همراه با پاسخ تشریحی آن ارائه شده است. با مطالعه سوالات امتحانی زیر می توانید دید خوبی به نسبت امتحان طراحی اجزاء 1 پیدا کنید و در امتحان خودتان هم بهتر عمل کنید.
برای مشاهده لیست اساتید مجرب و خوب طراحی اجزاء بر روی عبارت معلم خصوصی طراحی اجزاء کلیک کنید. مطالعه سرفصل های درس طراحی اجزای 1 مهندسی مکانیک هم مفید است.
سوال اول- تفاوت ضریب طراحی، ضریب ایمنی و قابلیت اعتماد را بنویسید و در رابطه با هر کدام توضیح دهید. راهکارهایی که می تواند منجر به طراحی اقتصادی و بهینه گردد را ذکر نمائید.
پاسخ سوال 1 - ضریب طراحی از همان ابتدای کار مشخص می شود. مثلا وقتی شما می خواهید شفتی را طراحی کنید از ابتدای کار ضریب طراحی را مثلا 3 در نظر می گیرید. اما وقتی طراحی انجام می شود ممکن است نتیجه نهایی را کمی گرد کنید و یا مثلا از سایزهای استاندارد برای قطر شفت استفاده کنید. در این حالت وقتی قطر نهایی شفت بدست آمد می توانید دوباره نسبت استحکام تسلیم یا استحکام نهایی به تنش بیشینه را محاسبه کنید. این نتیجه نهایی که به این شکل بدست می آید ضریب ایمنی نامیده می شود. ضریب ایمنی ممکن است با ضریب طراحی برابر باشد و یا کمی متفاوت از آن باشد. در ابتدای کار، مهندس طراح با توجه به تجربه ای که دارد و با توجه به اینکه واماندگی قطعه به چه میزان خسارت ایجاد می کند ضریب ایمنی را در نظر می گیرد و ممکن است از کاتالوگ ها و استانداردها هم استفاده نماید. به هر میزان واماندگی یا تسلیم شدن قطعه خسارات مالی و جانی بیشتری را به همراه داشته باشد ضریب طراحی و ضریب ایمنی را عدد بالاتری در نظر می گیرند. به عنوان مثال برای کابل آسانسور باید ضریب ایمنی را بسیار بالا در نظر گرفت در حالیکه برای طراحی یک صندلی لازم نیست ضریب اطمینان عدد خیلی بالایی باشد. اساتید خصوصی مهندسی مکانیک در این مباحث می توانند شما را بیشتر راهنمایی کنند.
حتما بخوانید: بهترین جزوه ها، مقاله، سوال امتحانی و ویدیوهای آموزشی طراحی اجزاء 1 و 2 مهندسی مکانیک
قابلیت اعتماد مبنای آماری دارد و اگر از 100 قطعه مثلا 99 قطعه درست عمل کنند قابلیت اعتماد 99 درصد است. در صنایع هوافضا بیشتر از قابلیت اعتماد استفاده می شود. در کتاب طراحی اجزاء شیگلی در این زمینه توضیحات مفصلی ارائه شده و روابطی هم معرفی شده است.
برای اینکه طراحی بهینه و اقتصادی داشته باشیم باید سعی کنیم از اندازه های استاندارد استفاده کنیم. مثلا اگر قرار است چرخدنده ای طراحی شود بسیار خوب است که طرح نهایی طرحی باشد که در بازار و کاتالوگ شرکت ها وجود است و به جای اینکه خودمان بخواهیم چرخدنده را بسازیم فقط ان را از کاتالوگ انتخاب کنیم. به این ترتیب هزینه ها کاهش می یابد. طراحی درست و استفاده از معیار مناسب و دقیق مانند ون مایسز هم می تواند منجر به طرح بهتر و بهینه تری گردد. با استفاده از الگوریتم های بهینه سازی و ... هم می توان طرح را بهینه تر کرد به گونه ای که وزن سبک تر و در نهایت هزینه کمتری داشته باشد.
مطالعه راهنمایی استفاده از معیارهای طراحی استاتیکی مواد نرم و ترد درس طراحی اجزا 1 مهندسی مکانیک هم مفید است.
سوال دوم - حین انتخاب جنس و ماده مناسب برای طرح مورد نظر خودتان چه ملاحظاتی را باید در نظر بگیرید. چگونه جنس مناسب را برای طرح مورد نظر خودتان انتخاب می کنید و چه خواص و ویژگی هایی را باید مد نظر داشته باشید.
پاسخ سوال 2- حین انتخاب جنس و ماده مناسب برای طرح مورد نظر باید بررسی کنیم و ببینیم چه انتظاراتی از قطعه وجود دارد. آیا قطعه ای که قرار است طراحی شود تحت بارگذاری ضربه ای، استاتیکی و یا دینامیکی قرار دارد؟ قطعه یا دستگاهی که قرار است طراحی شود در دمای محیط کار می کند و یا تحت دمای بالا عملکرد خودش را انجام می دهد؟ آیا محیط خورنده وجود دارد و باید به حال خوردگی هم فکری بکنیم؟ چنین مواردی باید در نظر گرفته شود و در ضمن قیمت تمام شده، در دسترس بودن جنس و استحکامی که لازم است را هم باید در نظر بگیرید. باید با استفاده از معیار طراحی مناسب و با در نظر گرفتن جنس مناسب سعی کنیم قیمت تمام شده قطعه کمترین مقدار ممکن باشد. اگر دستگاه یا قطعه طراحی شده قرار است در دمای بالا کار کند باید سعی کنیم از جنسی استفاده کنیم که در دمای بالا هم عملکرد خوبی دارد و خواص آن خیلی افت نمی کند. اگر بحث خوردگی مطرح است، باید از پوشش دهی مناسب و جنس مناسب استفاده کنیم. برای بحث خستگی هم باید از موادی استفاده شود که مقاومت به رشد ترک خوبی دارند (در دیدگاه مکانیک شکست فرض می شود از ابتدای کار در قطعه ترکی وجود دارد) و برای بارگذاری مد نظر ما می توانند عمر بی نهایت و یا عمر مد نظر ما را بدهند. در واقع انتخاب جنس مستقل از طراحی نیست و باید همه ی این موارد در کنار هم دیده شود.
پیشنهاد می شود مطالعه نمائید: طراحی خستگی اجزا و قطعات مکانیکی و عوامل موثر بر عمر خستگی
سوال سوم - یک شفت با قطر d تحت گشتاور پیچشی استاتیکی (150+c) N.m قرار دارد (c شماره کلاسی دانشجو است). استحکام تسلیم کششی و فشاری شفت، به ترتیب، برابر 120 و 150 مگاپاسکال است. برای اینکه ضریب ایمنی شفت برابر 2 باشد، قطر d شفت چقدر باید باشد؟ به واحدها دقت کنید و جواب را دقیق محاسبه کنید. با توجه به داده های ارائه شده معیار طراحی مناسب را انتخاب نمائید.
پاسخ سوال 3- طبق الگوریتم طراحی زیر، چون ماده نرم است و استحکام تسلیم آن داده شده است و از طرفی استحکام تسلیم کششی و فشاری آن یکسان نیست باید از معیار کولمب مور برای طراحی استفاده کنیم.
ابتدا با استفاده از رابطه مربوط به محاسبه تنش برشی ناشی از گشتاور پیچشی سعی می کنیم رابطه ای برای تنش برشی بر حسب قطر شفت بدست بیاوریم. سپس در رابطه ضریب ایمنی که در این حالت برابر است با استحکام تسلیم برشی تقسیم بر تنش برشی ماکزیمم، عبارت بدست آمده را قرار می دهیم و به این ترتیب قطر بدست می آید. دقت کنید که وقتی از معیار کولمب مور استفاده می کنیم استحکام تسلیم برشی به صورت زیر خواهد بود.
مطالعه نمائید: دانلود تست کنکور کارشناسی ارشد طراحی اجزاء - ارشد 90
سوال چهارم - در سوال بالا، اگر علاوه بر گشتاور پیچشی، نیروی محوری (50+c) N و گشتاور خمشی 80 N.m هم اضافه گردد و جنس شفت به گونه ای باشد که تنش تسلیم آن به جای مقادیر ارائه شده در بالا در کشش و فشار یکسان بوده و 130+c مگاپاسکال باشد، قطر شفت چقدر خواهد شد؟ از معیار ون مایسز استفاده کنید و ضرب ایمنی را هم 2 در نظر بگیرید.
پاسخ سوال 4- روند حل این سوال هم مثل سوال قبلی است با این تفاوت که باید از معیار ون میسز استفاده کنید. با استفاده از معیار ون میسز که در شکل زیر نشان داده شده است تنش معادل را محاسبه می کنید.
در ادامه ضریب اطمینان برابر خواهد شد با استحکام تسلیم تقسیم بر تنش معادل و با جاگذاری تنش معادل بدست آمده و ضریب ایمنی 2 در آن، رابطه ای بدست می آید که می توانید قطر را محاسبه کنید. دقت کنید که معیار ون مایسز یا انرژی اعوجاجی معیار دقیقی است و برای مواد نرم بیشترین تطابق را با نتایج تجربی دارد.
مطالعه خلاصه جزوه طراحی اجزاء - مبحث معیارهای استاتیکی هم مفید است.
سوال پنجم - یک قطعه ساخته شده از فولاد سرد کشیده شده AISI 1040 نشان داده شده در شکل زیر که در معرض بار محوری بین 28+c و -28+c کیلونیوتون قرار دارد را در نظر بگیرید (c شماره کلاسی دانشجو است). عرض صفحه 50 میلی متر و قطر سوراخ 10 میلی متر است. ضخامت قطعه را هم 15 میلی متر در نظر بگیرید. بر مبنای عمر بی نهایت و با استفاده از یک معیار خستگی دلخواه ضریب ایمنی واماندگی خستگی و ضریب ایمنی استاتیکی را بدست آورید. اگر عمر بی نهایت نیست، تعداد چرخه های لازم تا واماندگی قطعه را تخمین بزنید.
پاسخ سوال 5- مبحث خستگی از مباحث مهم درس طراحی اجزاء 1 است (این فیلم را ببینید: فیلم آموزش مهندسی مکانیک طراحی اجزاء 1- مثال طراحی خستگی از دیدگاه مکانیک شکست). بسیاری از قطعات تحت بارگذاری تکرار شونده قرار دارند و ممکن است بر اثر خستگی وامانده شوند. برای حل این سوال چون تنش میانگین صفر نیست باید از معیارهای طراحی مانند گودمن، گربر و ... استفاده کنید. البته باید حد دوام را هم ابتدای کار بدست بیاورید و اصلاحات لازم را برای آن انجام دهید. حد دوام به اندازه قطعه، صافی سطح، دما و ... بستگی دارد و اگر از حد دوام نمونه تیر چرخان استفاده می کنید باید برای آن اصلاحاتی را انجام دهید (این فیلم را هم ببینید: نمونه فیلم تدریس خصوصی مهندسی مکانیک طراحی اجزاء 1 - اصلاح حد دوام در طراحی خستگی). بعد از بدست آوردن حد دوام و با استفاده از یکی از معیارهای طراحی خستگی ضریب ایمنی را بدست می آورید. البته با توجه به نیروهای داده شده قبل از آن باید تنش میانگین و دامنه تنش را محاسبه کرده باشید. اگر ضریب ایمنی بدست آمده بزرگتر از 1 شد می توانید نتیجه بگیرید که عمر قطعه بی نهایت است. اگر ضریب ایمنی مثلا با استفاده از معیار گودمن کمتر از 1 شد عمر بی نهایت نیست و باید عمر محدود قطعه را محاسبه نمائید. دقت کنید که اینجا بارگذاری محوری است و مثلا در بحث حد دوام ضریب اصلاح اندازه برابر 1 خواهد شد. این موارد در کتاب طراحی اجزای شیگلی به صورت مفصل توضیح داده شده است. معیارهای مختلف طراحی خستگی در شکل زیر قابل مشاهده است.
اگر با استفاده از معیارهای خستگی ضریب ایمنی کمتر از 1 شده و در نتیجه عمر محدود شد، برای محاسبه عمر محدود قطعه از رابطه زیر استفاده کنید. البته در این سوال چون تنش اعمالی کاملا معکوس شونده نیست، باید ابتدا تنش معکوس شونده معادل را بدست بیاورید و بعد از رابطه زیر استفاده نمائید.
مطالعه دانلود رایگان نمونه سوال امتحانی طراحی اجزاء 1 رشته مهندسی مکانیک مقطع کارشناسی را هم پیشنهاد می کنیم.
سوال ششم - جنس شفت چرخان زیر هم از همان فولاد سرد کشیده شده AISI 1040 است. نیروی اعمالی به شفت زیر 6+0.1c کیلونیوتون است. اگر عمر بی نهایت می شود، ضریب ایمنی را بدست آورید در غیر اینصورت تعداد سیکل ها تا واماندگی را محاسبه کنید. تسلیم شدن قطعه را هم چک نمائید.
پاسخ سوال 6- روند حل این سوال هم مانند سوال قبل است با این تفاوت که تنش کاملا معکوس شونده می باشد و در ضمن، با رسم نمودار نیروی برشی و گشتاور خمشی و همچنین با در نظر گرفتن نقاطی که تمرکز تنش بالا دارند باید نقطه بحرانی را تشخیص دهید و عمر خستگی را بر مبنای نقطه بحرانی محاسبه نمائید. برای حل این سوال رسم نمودار نیروی برشی و گشتاور خمشی لازم است. اگر بین دو نقطه شک دارید که کدام نقطه بحرانی است باید محاسبات را برای هر دو نقطه انجام دهید تا مشخص شود محاسبات بر مبنای کدام نقطه کمترین عمر را می دهد و در نهایت کمترین عمر بدست آمده را به عنوان عمر خستگی قطعه معرفی نمائید. ممکن است گشتاور خمشی ایجاد شده در یک نقطه ماکزیمم باشد ولی در نقطه دیگری تمرکز تنش باعث شود محل نقطه بحرانی تغییر کند.
حتما مطالعه کنید: دانلود رایگان نمونه سوال امتحانی طراحی اجزاء 1 سال تحصیلی 98-99 مهندسی مکانیک
منبع: ایران مدرس (استفاده از مطالب با ذکر منبع و لینک به ایران مدرس مجاز است)
